(57)【要約】  半導体装置（１）は、第１の熱膨張係数のシリコン基板（２）、および、前記シリコン基板（２）の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップ（６）と、第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数のダイパッド（１０）と、窒化物半導体チップ（６）の裏面とダイパッド（１０）とを接合する接着剤（８）とを有し、窒化物半導体チップ（６）の長辺の長さＬが３．１２ｍｍ以上であり、ダイパッド（１０）の厚さｔｍ（ｍｍ）と窒化物半導体チップ（６）の長辺の長さＬ（ｍｍ）とがｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３の関係を満たし、表面実装型である。
2018061711.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の熱膨張係数のシリコン基板、および、前記シリコン基板の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップと、
前記第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数のダイパッドと、
前記窒化物半導体チップの裏面と前記ダイパッドとを接合する接着剤とを、有し、
前記窒化物半導体チップの長辺の長さＬは３．１２ｍｍ以上であり、
前記ダイパッドの厚さｔｍ（ｍｍ）と前記半導体チップの長辺の長さＬ（ｍｍ）とは
ｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３の関係を満たし、
表面実装型である
半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置は、ゲート端子、ソース端子およびドレイン端子を含む複数の端子を有する矩形状パッケージであり、
前記複数の端子は、前記半導体装置の平面視において対向する２辺である第１の辺および第２の辺に分散配置され、
前記第１の辺は前記ゲート端子を有し、
前記複数の端子のうち前記第２の辺に配置された全端子は前記ダイパッドと離間している
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体装置は、ゲート端子、ソース端子およびドレイン端子を含む複数の端子を有する矩形状パッケージであり、
前記ソース端子と前記ドレイン端子とは、前記矩形状パッケージの対向する２辺に互いに排他的に配置される
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ダイパッドの対向する２つの主面のうち前記窒化物半導体チップと接合されていない主面は、前記半導体装置から露出している
請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の辺と前記第２の辺は同数の端子を有する
請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記複数の端子は、前記矩形状パッケージの側面と実質的に面一である
請求項２〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記窒化物半導体チップの厚さｔｃは０．２００ｍｍ以上０．３７７ｍｍ以下であり、
前記ｔｍ、前記Ｌおよび前記ｔｃは
ｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３＋（−８９０×ｔｃ２＋６７０×ｔｃ−９８．４）／５９３の関係を満たす
請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記窒化物半導体チップの厚さが０．２５ｍｍ以上である
請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記接着剤は、Ｐｂ含有はんだである
請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記接着剤の融点は、前記半導体装置をプリント回路基板に実装するための２次実装用接着剤の融点よりも高い
請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記接着剤の融点は２６０℃以上、３３０℃以下である
請求項１〜１０の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
第１の熱膨張係数のシリコン基板、および、前記シリコン基板の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップと、前記第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数のダイパッドと、前記窒化物半導体チップの裏面と前記ダイパッドとを接合する接着剤とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記窒化物半導体チップの長辺の長さＬ（ｍｍ）および前記ダイパッドの厚さｔｍ（ｍｍ）のうちの一方の寸法を決定する工程と、
ｔｍ ≧ ａ×Ｌ２＋ｂ（ａ、ｂはそれぞれ零でない定数）の式の範囲内で、前記長さＬおよび前記厚さｔｍのうちの他方の寸法を決定する工程とを有する
半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、窒化物半導体装置に関し、シリコン基板表面に形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層を有する窒化物半導体チップを収納する半導体装置およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、窒化ガリウム（ＧａＮ）に代表されるＩＩＩ−Ｖ族窒化物系化合物半導体、いわゆる窒化物半導体が注目を集めている。【０００３】
図１７は、特許文献１に記載された窒化物半導体装置の断面構造を模式的に表した図である。同図に示すように。特許文献１に記載された窒化物半導体装置は、厚さ３００μｍ以上のサファイア基板上に成長されたIII族窒化物半導体からなるIII族窒化物半導体素子１６１と、III族窒化物半導体素子１６１が搭載されるヒートシンク１６２と、ヒートシンク１６２とIII族窒化物半導体素子１６１とを接合する融点３００℃以上のはんだ１６３とを備える。この構成によれば、III族窒化物半導体素子１６１のクラック発生を抑制する。ここでいうクラックは、ヒートシンク１６２とIII族窒化物半導体素子１６１とを接合するはんだ付け時とその後の冷却時との温度差と、ヒートシンク１６２とＩＩＩ族窒化物半導体素子１６１との熱膨張率の差と、それによる応力とに起因する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１０３５５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１は、サファイア基板ベースの窒化物半導体チップにおけるクラック発生の抑制を図っている。しかし、シリコン基板ベースの窒化物半導体チップを備える半導体装置では、窒化物半導体チップでは依然クラックが発生する可能性がある。【０００６】
本開示は、シリコン基板ベースの窒化物半導体チップのクラック発生を抑制する半導体装置およびその製造方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本開示の一形態に係る半導体装置は、第１の熱膨張係数のシリコン基板、および、前記シリコン基板の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップと、前記第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数のダイパッドと、前記窒化物半導体チップの裏面と前記ダイパッドとを接合する接着剤とを、有し、前記窒化物半導体チップの長辺の長さＬは３．１２ｍｍ以上であり、前記ダイパッドの厚さｔｍ（ｍｍ）と前記半導体チップの長辺の長さＬ（ｍｍ）とはｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３の関係を満たし、表面実装型である。【０００８】
また、本開示の一態様に係る半導体装置の製造方法は、第１の熱膨張係数のシリコン基板、および、前記シリコン基板の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップと、前記第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数のダイパッドと、前記窒化物半導体チップの裏面と前記ダイパッドとを接合する接着剤とを有する半導体装置の製造方法であって、前記窒化物半導体チップの長辺の長さＬ（ｍｍ）および前記ダイパッドの厚さｔｍ（ｍｍ）のうちの一方の寸法を決定する工程と、ｔｍ ≧ ａ×Ｌ２＋ｂ（ａ、ｂはそれぞれ零でない定数）の式の範囲内で、前記長さＬおよび前記厚さｔｍのうちの他方の寸法を決定する工程とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本開示によれば、窒化物半導体チップのクラック発生を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、窒化物半導体チップに２段階で反りが発生するメカニズムを示す説明図である。
【図２】図２は、実施の形態１に係る窒化物半導体チップの構成例を示す断面図である。
【図３】図３は、実施の形態１に係る半導体装置の構成例を示す断面図である。
【図４】図４は、実施の形態１に係る半導体装置の構成例を示す上面透視図である。
【図５Ａ】図５Ａは、実施の形態１に係る半導体装置のより具体的な構成例を示す上面透視図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、実施の形態１に係る半導体装置のより具体的な他の構成例を示す上面透視図である。
【図６】図６は、実施の形態１に係る半導体装置の外観を示す４面図である。
【図７】図７は、窒化物半導体チップのクラック発生率の、窒化物半導体チップの厚さに対する依存性を示す図である。
【図８Ａ】図８Ａは、窒化物半導体チップの厚さに対するミーゼス応力の依存性を示す図である。
【図８Ｂ】図８Ｂは、窒化物半導体チップの厚さに対するミーゼス応力の依存性および近似式による曲線を示す図である。
【図９】図９は、Ｃｕ基板からなるダイパッドの厚さに対するミーゼス応力の、依存性を示す図である。
【図１０】図１０は、窒化物半導体チップの長辺の長さに対するミーゼス応力の依存性を示す図である。
【図１１】図１１は、窒化物半導体チップがクラックを起こさない条件を求めた結果であって、Ｃｕ基板からなるダイパッドの厚さとチップの長辺の長さとの依存性を示す図である。
【図１２】図１２は、積層体に生じる反りを定量化するための積層体のモデルを示す模式図である。
【図１３】図１３は、窒化物半導体チップの厚さに対するバックグラインドの加工歩留の依存性を示す図である。
【図１４】図１４は、Ｐｂ重量比に対するＰｂ系はんだの融点の依存性を示す図である。
【図１５】図１５は、２次実装の標準的な熱プロファイルを示す図である。
【図１６】図１６は、実施の形態における半導体装置の製造方法の一例を示すフローチャートである。
【図１７】図１７は、従来の窒化物半導体装置の断面構造を模式的に表した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
（本開示の基礎となった知見）
本発明者らは、「背景技術」の欄において記載した半導体装置に関し、以下の問題が生じることを見出した。
【００１２】
窒化物半導体は、一般式ＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）で表され、ＩＩＩ族元素であるアルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）及びインジウム（Ｉｎ）と、Ｖ族元素である窒素（Ｎ）とからなる化合物半導体である。
【００１３】
窒化物半導体は、炭化珪素、サファイア、シリコン等の基板上に、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ: Metal Organic Chemical Vapor Deposition）により、エピタキシャル成長するのが一般的である。
【００１４】
特に近年、窒化物半導体を用いたパワーデバイスはサーバー用電源、基地局用電源、車載用途等において、１チップで５０アンペア以上の大電流化の期待が著しく高い傾向がある。
【００１５】
それにともなって、窒化物半導体チップのサイズも大きくなってきており、最近では窒化物半導体チップの一辺の長さが３ｍｍを超えるものが必要となっている。
【００１６】
また、窒化物半導体チップを収納するパッケージは低インダクタンス化が求められ、端子の寄生インダクタンスが低減できる表面実装型のパッケージでの実装が進んでいる。
【００１７】
係る大きなサイズの窒化物半導体チップと表面実装パッケージを用いた窒化物半導体装置は、窒化物半導体の熱膨張係数とシリコン基板の熱膨張係数及び表面実装パッケージのダイパッド材の熱膨張係数の差による歪みが大きく現れ、窒化物半導体チップに反りが発生して窒化物半導体のクラックという極めて深刻な問題が生じる。
【００１８】
本発明者らは、このような窒化物半導体のクラック発生の原因について、半導体装置の製造工程において２段階で反りが発生することを見出した。
【００１９】
図１は、窒化物半導体チップ６に２段階で反りが発生するメカニズムを示す説明図である。
【００２０】
まず、１段階目の反りの発生について説明する。
【００２１】
図１の（１ａ）および（１ｂ）は、窒化物半導体チップ６に１段階目の反りが発生するメカニズムを示す。図１の（１ａ）および（１ｂ）に示すように窒化物半導体チップ６は、シリコン基板２とＩｎＧａＡｌＮ層４とを有する。シリコン基板２はＩｎＧａＡｌＮ層４を形成するための基材であり、サファイア基板よりも低コスト、低熱抵抗、かつ加工性が良い点で優れている。ＩｎＧａＡｌＮ層４は、シリコン基板２の表面にエピタキシャル成長により形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮからなる層である。ここで、ｘ、ｙは、上記の通り組成比である。また、ＩｎＧａＡｌＮ層４は、エピ層（エピタキシャル層の略）、または窒化物層とも呼ぶ。
【００２２】
図１の（１ａ）は、高温時つまりエピタキシャル成長時における窒化物半導体チップ６を模式的に示している。シリコン基板２上にＩｎＧａＡｌＮ層４をエピタキシャル成長させる時、窒化物半導体チップ６は１０００度程度の高温になる。
【００２３】
これに対して、図１の（１ｂ）は常温時（例えば約２５度）つまりエピタキシャル成長後に常温にまで冷却された時における窒化物半導体チップ６を模式的に示している。高温から常温への温度差、および、シリコン基板２とＩｎＧａＡｌＮ層４との熱膨張率の差に起因して、窒化物半導体チップ６には下に凸の反りが生じる。
【００２４】
より詳しく言うと、ＩｎＧａＡｌＮ層４の熱膨張係数は約５．４５×１０−６／℃であり、シリコン基板２の熱膨張係数は約２．４×１０−６／℃である。ＩｎＧａＡｌＮ層４の熱膨張係数はシリコン基板２の熱膨張係数より大きい。このため、高温から常温への温度差によるＩｎＧａＡｌＮ層４の収縮量はシリコン基板２の収縮量よりも大きい。これにより、窒化物半導体チップ６には下側に凸の反りが発生する。なお、図１の（１ｂ）の反りは説明のために誇張して図示している。
【００２５】
また、シリコン基板２の厚さが薄いほど、ＩｎＧａＡｌＮ層４からの応力の影響を受けて、下に凸の反りが大きくなる。下に凸の反りによって、シリコン基板２の引張応力は大きくなる。この引張応力が許容応力を超えると窒化物半導体チップ６が破断する。
【００２６】
次に、２段階目の反りの発生について説明する。
【００２７】
図１の（２ａ）および（２ｂ）は、窒化物半導体チップ６に２段階目の反りが発生するメカニズムを示す。図１の（２ａ）および（２ｂ）は、窒化物半導体チップ６とダイパッド１０との積層体を示している。ダイパッド１０は、例えばリードフレームの一部であり、Ｃｕ基板等である。積層体は、半導体装置の製造工程において窒化物半導体チップ６とダイパッド１０とが接着剤８によって接着されたものである。接着剤８は、はんだである。
【００２８】
図１の（２ａ）は、高温時つまり窒化物半導体チップ６をダイパッド１０にはんだ付けしている時における積層体を模式的に示している。はんだ付けの高温時は、はんだが液状に溶解しているため窒化物半導体チップ６がダイパッド１０に固定されておらず２段階目の反りはまだ発生していない。接着剤８としてのはんだには、例えば、鉛系はんだまたは金シリコン（ＡｕＳｉ）はんだ等があり、はんだ付け時の積層体の温度は、約３６０〜３８０度程度になる。このときの窒化物半導体チップ６は、図１の（１ｂ）に示した１段階目の下に凸の反りがある状態である。ただし、図１の（２ａ）の状態は（１ａ）よりも低い温度で（１ｂ）よりも高い温度なので、窒化物半導体チップ６の１段階目の反りが少し緩和されているかもしれない。
【００２９】
これに対して図１の（２ｂ）は常温時つまりはんだ付けによる接着後の常温時における積層体を模式的に示している。窒化物半導体チップ６は接着剤８によりダイパッド１０に固着されている。はんだ付けの高温から常温への温度差、および、窒化物半導体チップ６とダイパッド１０の熱膨張率の差に起因して、２段階目の反りとして上に凸の反りが積層体に発生する。ただし、図１の（２ｂ）では、説明のため反りを誇張して図示している。
【００３０】
より詳しく説明すると、窒化物半導体チップ６の大部分を占めるシリコン基板２の熱膨張係数は２．４×１０−６／℃である。ダイパッド１０ここではＣｕ基板）の熱膨張係数は約１６．８×１０−６／℃である。Ｃｕ基板の熱膨張係数がシリコン基板２の熱膨張係数より大きいため、高温から常温に変化した時、ダイパッド１０（Ｃｕ基板）の収縮量はシリコン基板２の収縮量より大きい。このため、２段階目の反りとして積層体には上に凸の反りが発生する。
【００３１】
上記の２段階の反りは重畳する。つまり、下凸反りの窒化物半導体チップ６（図１の（１ｂ））は、ダイパッド１０のＣｕ基板の熱膨張係数がシリコン基板２の熱膨張係数より十分に大きいため、２段階目では、逆反りの上凸反りになる（図１の（２ｂ））。この時、窒化物半導体チップ６の引張応力がさらに大きくなる。
【００３２】
以上のように、１段階目の反りとして、図１の（１ｂ）における窒化物半導体チップ６のシリコン基板２の厚さと反りの関係は、シリコン基板２が薄くなるほど、下凸反りとなる。２段階目の反りとして、図１の（２ｂ）における窒化物半導体チップ６とＣｕ基板からなるダイパッド１０の反りの関係は、シリコン基板２が厚くなるとほど上凸反りになる。
【００３３】
このような２段階の反りの発生が、窒化物半導体チップ６のクラックを発生させる原因となる。
【００３４】
特許文献１に開示された先行技術では、サファイア基板上の窒化物半導体チップに限定されている。パワーデバイスとしては、サファイヤよりも熱伝導率が高く、かつ、コストも低いシリコン基板２に形成された窒化物半導体チップ６が適している。
【００３５】
また、熱膨張係数はサファイアが８．５ｐｐｍ／℃であるのに対して、シリコンは３．４ｐｐｍ／℃である。ＧａＮの熱膨張係数７．８ｐｐｍ／℃との差がサファイアよりもシリコンの方が大きいため、シリコンベースの窒化物半導体チップ６はサファイアベースの窒化物半導体チップよりもクラックがより発生しやすい傾向にある。
【００３６】
さらに、特許文献１はチップとパッケージの間に、ＡｌＮ基板からなるヒートシンクを用いているが、ＡｌＮよりも熱伝導度が高くてコストが低いＣｕ製のダイパッドに直接実装することがパワーデバイスとして望ましい。
【００３７】
また、窒化物半導体チップを鉛フリーハンダで接合しているが、パワーデバイスとしては信頼性が高いＰｂ系はんだで接合すことが望ましい。
【００３８】
そこで、本発明者らは、シリコンベースの窒化物半導体チップ６とＣｕ製のダイパッド１０を含む半導体装置について、クラックの発生に関する、窒化物半導体チップ６の長辺の長さへの依存性を実験した。
【００３９】
実験の条件は、次の通りである。ダイパッド１０の厚さｔｍを０．２ｍｍ、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃを０．２５ｍｍとした。また、窒化物半導体チップ６のチップ長（長辺の長さ）を変数として、２．２２ｍｍ、３．１２ｍｍ、３．９７ｍｍ、４．６９ｍｍの複数について実験した。
【００４０】
この条件下の実験結果から、窒化物半導体チップの長辺の長さＬが３．１２ｍｍ以上で窒化物半導体チップにクラックが発生することを発見した。
【００４１】
この原因は既に説明した通り製造過程における２段階の反りと考えられる。すなわち、第１段階目として、熱膨張係数がシリコンよりもＧａＮが大きいため、ＭＯＣＶＤによる高温成長状態から室温に戻したときに、窒化物半導体チップは下側に凸の反りが発生する。２段階目として、熱膨張係数がシリコン基板よりも大きいＣｕ製のダイパッド１０に実装した場合は、接着剤の融点以上の温度から室温に戻したときに、上側に凸の反りが発生する。つまり、窒化物半導体チップ６に下側に凸と上側に凸のストレスが印加された場合に、窒化物半導体チップ６内の応力がある閾値を超えるとクラックが発生すると考える。
【００４２】
本開示の目的の１つは、Ｐｂ系はんだによりＣｕ基板からなるダイパッドに接着されるチップ長３．１２ｍｍ以上の窒化物半導体チップ６において、窒化物半導体チップ６のクラック発生を抑制する構造を有する半導体装置を提供する。
【００４３】
（実施形態）
以下、本開示の実施の形態に係る半導体装置について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態は、いずれも本開示の一具体例を示すものであり、数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定するものではない。
【００４４】
（実施の形態１）
まず、窒化物半導体チップ６の構成例について説明する。
【００４５】
図２は、実施の形態１に係る窒化物半導体装置内に搭載される窒化物半導体チップ６の構成例を示す断面図である。図２に示す窒化物半導体チップ６は、シリコン基板２とＩｎＧａＡｌＮ層４とを有する。ＩｎＧａＡｌＮ層４は、活性層４ａとバッファ層４ｂとを有する。
【００４６】
この窒化物半導体チップ６は、厚さが０．２５０ｍｍ以上であり、第１の熱膨張係数のシリコン基板２に、シリコン基板２表面に接して厚さ数μｍの第３の熱膨張係数のＩｎＧａＡｌＮ層４が形成されている。ＩｎＧａＡｌＮ層４は、例えば有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ）によりエピタキシャル成長されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、ｘ＋ｙ≦１）層である。なお、組成比ｘ、ｙは、０≦ｘ≦１、０＜ｙ≦１、ｘ＋ｙ＜１でもよい。ＩｎＧａＡｌＮ層４の第３の熱膨張係数は、シリコン基板２の第１の熱膨張係数より大きい。また、活性層４ａは、パワートランジスタを形成するためのソース領域、ドレイン領域、チャネル等が形成される。バッファ層４ｂは、活性層４ａの結晶欠陥を低減するための緩衝層である。
【００４７】
この窒化物半導体チップ６は、ダイパッドに固定され、複数の端子とともに半導体装置内に樹脂封止される。この窒化物半導体チップ６はバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体であるため絶縁破壊電圧が高く、低抵抗と高耐圧を必要とするパワーデバイスに適している。窒化物半導体は種々の混晶を形成することができ、ヘテロ接合界面を容易に形成することができる。
【００４８】
さらに、窒化物半導体のヘテロ接合には、ドーピングなしの状態においても自発分極又はピエゾ分極によって高濃度の２次元電子ガス層（２ＤＥＧ層）が接合界面に発生するという特徴がある。
【００４９】
この高濃度の２ＤＥＧ層をキャリアとして用いた電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：Field Effect Transistor）が、大電力用及び高周波用のパワーデバイスとして利用される。
【００５０】
次に半導体装置１の構成例について説明する。
【００５１】
図３は、実施の形態１に係る半導体装置１の構成例を示す断面図である。図４は、実施の形態１に係る半導体装置１の構成例を示す上面透視図である。図３は、図４のＡＡ線の断面に対応する。図中のｔｍはダイパッド１０の厚さ、ｔｃは窒化物半導体チップ６の厚さ、ｔｐは半導体装置１の厚さ、Ｌは窒化物半導体チップ６の長辺の長さである。
【００５２】
図３および図４において半導体装置１は、ボンディングワイヤ３、窒化物半導体チップ６、接着剤８、樹脂９、ダイパッド１０、および複数の端子１１を有する。
【００５３】
ボンディングワイヤ３は、例えば金、銅、アルミニウム等の金属配線材であり、窒化物半導体チップ６のパッドと端子１１とを接続する。
【００５４】
窒化物半導体チップ６は、例えば図２の構成であり、Ｃｕ基板からなるダイパッド１０の上面に接着剤８により接着される。窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは３．００ｍｍ以上である。
【００５５】
接着剤８は、例えばＰｂ系のはんだであり、窒化物半導体チップ６とＣｕ基板からなるダイパッド１０を接合する。
【００５６】
樹脂９は、窒化物半導体チップ６とＣｕ基板からなるダイパッド１０等を封止する樹脂である。半導体装置１は、樹脂９によって表面実装型の矩形状のパッケージに形成される。
【００５７】
ダイパッド１０は、厚さｔｍ０．２００ｍｍ以上第２の熱膨張係数のＣｕ基板からなる。第２の熱膨張係数は、約１６．８×１０−６／℃であり、シリコン基板２の熱膨張係数（第１熱膨張係数、約２．４×１０−６／℃）よりも大きい。Ｃｕ基板からなるダイパッド１０の厚さｔｍは、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃより厚く形成される。また、ダイパッド１０のサイズは窒化物半導体チップ６のサイズより大きく設けられている。平面視においてダイパッド１０の外形は窒化物半導体チップ６の外形を内側に含む。
【００５８】
複数の端子１１のそれぞれは、窒化物半導体チップ６のパッドとボンディングワイヤ３により接続され、半導体装置１のプリント基板への実装時にはんだ付けされる。半導体装置１のプリント基板への実装は、窒化物半導体チップ６から見て２次実装と呼ぶ。複数の端子１１は、例えばゲート端子、ソース端子およびドレイン端子を含む。
【００５９】
さらに、半導体装置１のより具体的な構成例および外観について説明する。
【００６０】
図５Ａは、実施の形態１に係る半導体装置１のより具体的な構成例を示す上面透視図である。図６は、半導体装置１の外観を示す４面図である。図６の（ａ）は上面、（ｂ）は下面、（ｃ）は左側側面、（ｄ）は下側側面を示す。
【００６１】
窒化物半導体チップ６は、トランジスタ６ｔと、ゲートパッド６ｇ、ソースパッド６ｓ、ドレインパッド６ｄを有する。
【００６２】
トランジスタ６ｔは、ＩｎＧａＡｌＮ層４に形成されるパワートランジスタである。
【００６３】
ゲートパッド６ｇは、トランジスタ６ｔのゲートに接続されたパッドであって、ワイヤボンディング用である。
【００６４】
ソースパッド６ｓは、トランジスタ６ｔのソースに接続されたパッドであって、ワイヤボンディング用である。同図では長尺状のソースパッド６ｓに複数本のボンディングワイヤ３が接合されている。ソースパッド６ｓは、窒化物半導体チップ６の対向する２つの長辺のうちの第１の長辺側に設けられる。図５Ａ、図６の（ａ）および（ｂ）では第１の長辺は下側の長辺をいう。
【００６５】
ドレインパッド６ｄは、トランジスタ６ｔのドレインに接続されたパッドであって、ワイヤボンディング用である。同図では長尺状のドレインパッド６ｄに複数本のボンディングワイヤ３が接合されている。ドレインパッド６ｄは、第１の長辺に対向する第２の長辺側に設けられる。図５Ａ、図６の（ａ）および（ｂ）では第２の長辺は上側の長辺をいう。
【００６６】
ドレインパッド６ｄとソースパッド６ｓは、窒化物半導体チップ６の同じ辺に設けられることなく、窒化物半導体チップ６の対向する辺に平行に設けられる。これにより、ドレイン・ソース間の耐圧確保を容易にする。
【００６７】
図５Ａおよび図６に示す構成例では半導体装置１は、矩形状パッケージである。
【００６８】
図４に示した複数の端子１１は、例えば図５Ａのゲート端子１１ｇ、ソースセンス端子１１ｓｓ、複数のソース端子１１ｓ、複数のドレイン端子１１ｄとして設けられる。同図では複数の端子１１は、１つのゲート端子１１ｇ、１つのソースセンス端子１１ｓｓ、２つのソース端子１１ｓ、４つのドレイン端子１１ｄからなる。
【００６９】
ゲート端子１１ｇは、ボンディングワイヤ３によりゲートパッド６ｇに接続される。
【００７０】
ソース端子１１ｓおよびソースセンス端子１１ｓｓは、それぞれボンディングワイヤ３によりソースパッド６ｓに接続される。ソースセンス端子１１ｓｓは、電圧値の検出等に利用可能である。
【００７１】
ドレイン端子１１ｄは、それぞれボンディングワイヤ３によりドレインパッド６ｄに接続される。
【００７２】
複数の端子１１は、矩形状パッケージである半導体装置１の平面視において対向する２辺である第１の辺および第２の辺に分散配置され、他の２辺には配置されない。複数の端子１１が配置される２辺は、窒化物半導体チップ６の長辺と平行な２辺である第１の辺および第２の辺である。
【００７３】
第１の辺にはゲート端子１１ｇ、ソース端子１１ｓおよびソースセンス端子１１ｓｓが配置される。図５Ａ、図６の（ａ）および（ｂ）では第１の辺は下側の辺をいう。第２の辺にはドレイン端子１１ｄが配置される。図５Ａ、図６の（ａ）および（ｂ）では第２の辺は上側の辺をいう。第１の辺と第２の辺は同数の端子１１を有する。複数の端子１１のそれぞれのサイズ、底面積および側面積は同じである。第１の辺の端子１１と第２の辺の端子１１は対称（図５Ａ、図６では上下対称）である。第１の辺と第２の辺とで直近の端子１１間の距離も同じである。こうすれば、２次実装におけるはんだ付けの条件つまり、はんだ濡れ面積や配置位置は、第１の辺と第２の辺とで均等になり、アンバランスにならない。これにより、２次実装時の傾きの発生を抑制する。
【００７４】
図６の（ａ）、（ｂ）、（ｄ）に示すように、複数の端子１１のそれぞれは、半導体装置１の側面に対して実質的に面一である。これにより、２次実装時の実装面積を最小化することができる。複数の端子１１のそれぞれは、半導体装置１の底面に対しても実質的に面一でもよい。
【００７５】
また、図６の（ｂ）に示すように、ダイパッド１０の対向する２つの主面のうち窒化物半導体チップ６と接合されていない主面は、半導体装置１から露出している。つまり、半導体装置１の底面にダイパッド１０の裏面が露出している。これによりダイパッド１０の放熱性を高めている。
【００７６】
なお、図５Ｂに示すように半導体装置１は、さらに電極１２ｄ、１２ｓ、１２ｇを備えていてもよい。この電極１２ｄ、１２ｓ、１２ｇは、ダイパッド１０、複数の端子１１とともにリードフレームの一部として形成されてもよい。
【００７７】
電極１２ｄは、４つのドレイン端子１１ｄを相互に電気的に接続する。電極１２ｓはソース端子１１ｓのそれぞれとダイパッド１０とを電気的に接続する。こうすれば半導体装置１をソース接地回路として用いるのに適している。電極１２ｇは端子１１ｇに電気的に接続される。電極１２ｄ、１２ｓは電流容量の確保を容易にする。また、樹脂と端子の接触面積が大きくなり、密着性が上がることにより、樹脂剥離を抑制する。
【００７８】
複数の端子１１のうちの第２の辺に配置された全端子はダイパッド１０と離間している。図５Ａ、図５Ｂでは第２の辺に配置された全端子は、４つのドレイン端子１１ｄでありダイパッド１０と離間している。ここでいう離間は、距離的、物理的および電気的に離れていることをいう。ソース端子１１ｓ、１１ｓｓは、図５Ａでは、ダイパッド１０と離間しているが、図５Ｂでは距離的および物理的に離間しているが電気的に離間していない。
【００７９】
また、ソース端子１１ｓおよびソースセンス端子１１ｓｓと、ドレイン端子１１ｄとは、矩形状パッケージの対向する２辺に互いに排他的に配置される。さらに、半導体装置１の平面視における第２の辺とダイパッド１０の中心との距離Ｄ２は、第１の辺とダイパッド１０の中心との距離Ｄ１よりも大きい。別言すれば、半導体装置１の第２の辺と窒化物半導体チップ６の第２の長辺との距離は、半導体装置１の第１の辺と窒化物半導体チップ６の第１の長辺との距離よりも大きい。これにより、ドレイン・ソース間の耐圧確保を容易にする。
【００８０】
次に、窒化物半導体チップ６のクラック発生率と窒化物半導体チップ６の厚さｔｃに関する実験結果について説明する。
【００８１】
図７は、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃに対する窒化物半導体チップ６のクラック発生率の依存性を示す図である。窒化物半導体チップ６の複数通りの厚さｔｃについて、窒化物半導体チップ６のクラック発生率を調べる実験をしたところ、図７に示すような結果が得られた。同図を得た実験の条件は次の通りである。すなわち、ダイパッド１０の厚さｔｍは０．２００ｍｍの固定値、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは４．７９ｍｍの固定値とした。窒化物半導体チップ６の厚さｔｃは、０．２００、０．２２５、０．２５０、０．３００、０．３３０ｍｍを含む複数通りとした。
【００８２】
同図の横軸は窒化物半導体チップ６の厚さｔｃを、縦軸はクラックの発生率を示す。同図から、次のことがわかる。すなわち、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２２５ｍｍ以上であれば窒化物半導体チップ６にクラックが発生している。窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが薄くなれば（０．３３０ｍｍから０．２００ｍｍに薄くなるに連れて）で窒化物半導体チップのクラック発生率が低下する傾向にある。窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２００ｍｍではクラック発生率が０％である。このことから、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２００ｍｍ以上で０．２２５ｍｍより小さい範囲内に、クラックの発生無しの基準値であるクライテリアが存在する。窒化物半導体チップ６の厚さｔｃの０．２００ｍｍは、クラック発生率が０％であり、クライテリアとみなせる。
【００８３】
続いて、図８Ａ〜図１０を用いて、窒化物半導体チップ６に生じるミーゼス応力を調べるシミュレーション結果について説明する。ここでは、図１に示した２段階の反りが発生するメカニズムをシミュレーションすることによって、窒化物半導体チップ６に発生するミーゼス応力を求めている。ここで、ミーゼス応力とは、物体内部に生じる応力状態を単一の値で示す応力であり、方向を持たないスカラー量である。
【００８４】
図８Ａは、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃに対するミーゼス応力の依存性を示す図である。同図において横軸は窒化物半導体チップ６の厚さｔｃ、縦軸はミーゼス応力［ＭＰａ］を示す。このミーゼス応力を求めるシミュレーションの実施条件は次の通りである。すなわち、ダイパッド１０の厚さｔｍは０．２００ｍｍの固定値、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは４．７９ｍｍの固定値とした。窒化物半導体チップ６の厚さｔｃは、０．１００〜０．３５０ｍｍの範囲でシミュレーションを実施した。
【００８５】
図８Ａによれば、ミーゼス応力は窒化物半導体チップ６の厚さが０．１００ｍｍから０．３５ｍｍの区間で単調増加するという結果を示す。窒化物半導体チップ６の厚さｔｃがＣｕからなるダイパッド１０の厚さｔｍと同程度の厚さ０．２００ｍｍである付近に、変曲点が存在し、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃを０．２００ｍｍ以下に設定することが変曲点を境界にミーゼス応力がより低減され、窒化物半導体のクラックを抑制することが可能となることがわかる。
【００８６】
図８Ａの曲線上の丸印とバツ印は、図７から得られたクラックの発生の有無を示す。つまり、丸印はクラックの発生なしを、バツ印はクラックの発生ありを示す。図７と図８Ａによれば、ミーゼス応力と窒化物半導体チップ６の厚さｔｃとの関係は、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２００ｍｍ以下の場合にクラック発生率が実質０％になっている。このことから、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２００ｍｍに対応するミーゼス応力１１０ＭＰａ以下であればクラックが発生しないことがわかる。
【００８７】
図８Ｂは図８Ａの横軸の値が０．２００ｍｍ以上の部分を拡大した、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃに対するミーゼス応力の依存性および近似式による曲線を示す図である。同図の太い実線は隣のシミュレーション値の間を接続し３つの線分からなる。同図の細い実線は、シミュレーション値を通過する曲線であって多項式で近似した曲線を示す。この多項式は、２次の近似式であり、ミーゼス応力をｙとしたとき、同図ではｙ＝−８９０・ｔｃ２＋６７０・ｔｃ＋１１．３で表される。
【００８８】
図８Ｂによれば、窒化物半導体チップ６がダイパッド１０に実装された後のミーゼス応力と窒化物半導体チップ６の厚さｔｃの近似式は、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２００ｍｍ以上でミーゼス応力が増加し、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．３７７ｍｍの時にミーゼス応力が最大値の結果を示す。つまり、厚さｔｃが０．２００ｍｍから０．３７７ｍｍの範囲ではミーゼス応力が増加する。また、厚さｔｃが０．３７７ｍｍより大きくなると、ミーゼス応力はほぼ一定になると考えられる。
【００８９】
図９は、Ｃｕ基板からなるダイパッド１０の厚さｔｍに対するミーゼス応力の依存性を示す図である。同図において横軸はダイパッド１０の厚さｔｍ、縦軸はミーゼス応力［ＭＰａ］を示す。このミーゼス応力を求めるシミュレーションの実施条件は次の通りである。すなわち、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃは０．２５ｍｍの固定値、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは４．７９ｍｍの固定値とした。ダイパッド１０の厚さｔｍは、０．２ｍｍ〜０．６ｍｍの範囲でシミュレーションを実施した。
【００９０】
ダイパッド１０の厚さｔｍが０．２ｍｍから０．４ｍｍの範囲では、ミーゼス応力は単調減少している。
【００９１】
図９において、同図の太い実線はシミュレーションによるミーゼス応力値を結ぶ線である。ミーゼス応力はＣｕ基板からなるダイパッド１０の厚さｔｍが０．２００ｍｍから０．４００ｍｍの区間で単調減少の結果を示す。すなわち、Ｃｕ基板からなるダイパッド１０厚さｔｍは厚くなるとミーゼス応力を小さくすることが可能であり、クラックを抑制できることがわかる。
【００９２】
また、細い実線は、ダイパッド１０の厚さｔｍが０．２ｍｍから０．４ｍｍの範囲で丸印の測定点を通る直線を線形近似した線分を示す。線形近似の結果、ミーゼス応力ＦとＣｕ基板からなるダイパッド１０の厚みｔｍとの関係は、Ｆ＝−５９３・ｔｍ＋２４２で示すことができる。今後の議論においては、ｔｍ値からＦ値への変換係数は−５９３とする。
【００９３】
図１０は、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬに対するミーゼス応力の依存性を示す図である。このミーゼス応力を求めるシミュレーションの実施条件は次の通りである。すなわち、ダイパッド１０の厚さｔｍは０．２ｍｍの固定値、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃは０．２５ｍｍの固定値とした。窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは、３．１２ｍｍ〜４．７９ｍｍの範囲でシミュレーションを実施した。
【００９４】
図１０によれば、ミーゼス応力は、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬが少なくとも３．１２ｍｍ以上、４．７９ｍｍ以下の区間で単調増加を示す。すなわち、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは長くなるとミーゼス応力が大きくなることがわかる。
【００９５】
上記の通り図８Ａ〜図１０に示したように、シミュレーションによって窒化物半導体チップ６に生じるミーゼス応力を、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃ、ダイパッド１０の厚さｔｍ、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬのそれぞれを変数として求めた。
【００９６】
以下では、これらのシミュレーション結果に基づいて、窒化物半導体チップ６がクラックを起こさない条件としてミーゼス応力が１１０ＭＰａを超えない条件について説明する。
【００９７】
図１１は、窒化物半導体チップがクラックを起こさない境界条件を求めた結果であって、Ｃｕ基板からなるダイパッド１０の厚さｔｍと窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬとの依存性を示す図である。
【００９８】
同図において、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃ＝０．１ｍｍ、０．２ｍｍ、０．３ｍｍ、０．３５ｍｍに対応する４本の線（Ｌが３．１２ｍｍ〜４．７９ｍｍの範囲の線）は、図８Ａ〜図１０に示したシミュレーション結果から得られた。すなわち、クラックが起きない境界条件であるミーゼス応力が１１０ＭＰａの場合の、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬと、Ｃｕ基板からなるダイパッド１０の厚さｔｍとの関係を求めたところ図１１に示すような４本の線が得られた。
【００９９】
また、上記４本の線以外の３本の線（近似式（１）、（２）、（３））は、後述する下に凸の２次関数により近似した曲線である。この曲線より上側（つまり縦軸のプラス側）の領域のダイパッド１０の厚さｔｍならばクラックが発生しないと言える。
【０１００】
次に、ダイパッド１０の厚さｔｍと窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬとの関係をより詳細に表すための数式モデルおよび近似式について説明する。
【０１０１】
図１２は、積層体に生じる室温での反りδを定量化するための積層体のモデルを示す模式図である。なお、このモデルにおいては、窒化物半導体チップ６とダイパッド１０の間にある接着剤に関しては省略して議論を行う。図１２において、窒化物半導体チップ６の長辺の長さをＬ、Ｃｕ基板からなるダイパッド１０の厚さをｔｍ、ダイパッド１０の反り量をδ、反りの曲率半径をＲとしている。三平方の定理から、近似的に以下の式が成り立つ。
【０１０２】
Ｒ２＝（Ｒ−δ）２＋｛（Ｌ／２）２−δ２｝
【０１０３】
ゆえに、曲率半径Ｒは（１）式となる。
【０１０４】
Ｒ＝Ｌ２／８δ  （１）式
【０１０５】
この反りδは、はんだ付け時とその後の冷却時の温度差から窒化物半導体チップ６とＣｕ基板からなるダイパッド１０の熱収縮量の差から発生しており、Ｃｕ基板からなるダイパッド１０上面の熱収縮量は窒化物半導体チップ６の熱収縮量ΔＬｃに等しく、Ｃｕ基板
からなるダイパッド１０下面の収縮量はダイパッド材料の熱収縮量ΔＬｄに等しいと考えることができる。
【０１０６】
その場合、高温時は反りが無いとすると、以下の式が成り立つ。
【０１０７】
（Ｒ＋ｔｍ）θ＋ΔＬｃ＝Ｒθ＋ΔＬｄ
【０１０８】
ここで、ΔＬｃ＝αｃ・Ｌ・ΔＴ、ΔＬｄ＝αｄ・Ｌ・ΔＴである。αｃは窒化物半導体チップ６の線膨張係数、αｄはダイパッド１０の線熱膨張係数、ΔＴははんだ付けの高温と室温との温度差である。
【０１０９】
ゆえに、（２）式が得られる。
【０１１０】
ｔｍ・θ＝（Ｌ・αｄ−Ｌ・αｃ）ΔＴ  （２）式
【０１１１】
また、図１２からＬ=(Ｒ+ｔｍ)θである。Ｒ＞＞ｔｍであるため、以下の近似式が成り立つ。
【０１１２】
Ｌ＝Ｒθ  （３）式
【０１１３】
（１）式、（２）式、（３）式からＲとθを消去した関係式は、次式となる。
【０１１４】
８δ・ｔｍ＝（αｄ−αｃ）Ｌ２・ΔＴ
【０１１５】
ゆえに、（４）式が得られる。
【０１１６】
ｔｍ＝（αｄ−αｃ）Ｌ２・ΔＴ／８δ  （４）式
【０１１７】
ここで、発明者のこれまでの行った実験によると、窒化物半導体チップ６にクラックを発生させないためには、窒化物半導体チップ６のサイズによらず窒化物半導体チップ６の反り量δをある値（例えば４μｍ）以下にしておく必要がある。その理由は、窒化物半導体チップ６内の応力はチップ端からチップ中央に向かって比例的に増加して、チップ中央の応力がもっとも大きくなると考えている。
【０１１８】
この現象を引き起こす原因は、接着剤８（はんだ）の硬化が窒化物半導体チップ６の端から窒化物半導体チップ６の中央に向かって進むため、窒化物半導体チップ６内の応力もチップ端からチップ中央に向かって比例的に増加していると推測している。
【０１１９】
その結果、同じ曲率半径Ｒで窒化物半導体チップ６が反った場合も、窒化物半導体チップ６の長さが長い方が反り量が大きくなるために、クラックが発生しやすくなる。
【０１２０】
したがって、ΔＴがある固定値の場合、窒化物半導体チップ６のクラックを発生させないために、（４）式におけるδをある値にするには、βを比例係数として次の（５）式の関係が必要となる。
【０１２１】
ｔｍ＞βＬ２  （５）式
【０１２２】
つまり、窒化物半導体チップ６の長さＬが長くなるにつれ、ダイパッド１０の厚さｔｍは窒化物半導体チップ６の長さＬの２乗に比例して厚くする必要がある。
【０１２３】
さらに、一般式を求めると次の（６）式となる。ただし、ａ、ｂはそれぞれ零でない定数である。
【０１２４】
ｔｍ＝ａＬ２＋ｂ  （６）式
【０１２５】
上記のように、クラックを発生させない境界条件として、ダイパッド１０の厚さｔｍと窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬとの関係は、（６）式によって表される。
【０１２６】
さらに、図１１等の実験及びシミュレーションデータと（６）式を用いて、定数ａ、ｂを求める。
【０１２７】
（６）式による曲線が、図１１のｔｃ＝０．２ｍｍの実験データの曲線の３点を下回らずに接するようにして、ａ＝２．００×１０−３、ｂ＝０．１７３を求めた。
【０１２８】
ｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３  （７）式
【０１２９】
この（７）式は、図１１の近似式（１）の曲線に対応する。
【０１３０】
図１１によれば、Ｃｕからなるダイパッド１０の厚さと窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは、Ｌ≧３．１２ｍｍにおいて、ｔｍ≧２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３の関係がクラックを発生させない境界条件であることがわかった。
【０１３１】
また、この曲線より上側（つまり図１１の縦軸のプラス側）の領域のダイパッド厚さ条件ならばクラックの発生を抑制できることがわかった。
【０１３２】
図１１において、実際はｔｃ＞０．２ｍｍになると、（７）式の条件では不十分な場合があるので、チップ厚ｔｃも算出パラメータに含ませる工夫をした。すなわち、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃを（７）式の関数に入れ込むため、図８Ｂの結果を用いる。すなわち、厚さｔｃが０．２００ｍｍから０．３７７ｍｍの範囲でミーゼス応力Ｆと厚さｔｃの依存性は、以下の通りである。
【０１３３】
Ｆ＝−８９０ｔｃ２＋６７０ｔｃ＋１１．３
【０１３４】
この式を（７）式に組み込むと、次式が得られた。
【０１３５】
ｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３＋（−８９０×ｔｃ２＋６７０×ｔｃ−９８．４）／５９３
【０１３６】
この式において、ｔｃ＝０．２５、０．３５の値を用いると、それぞれ近似式（２）、近似式（３）が得られる。この曲線より上側（つまり図１１の縦軸のプラス側）の領域のダイパッド厚さ条件ならばクラックの発生をより確実に抑制できると言える。
【０１３７】
次に、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃと歩留まりの関係について説明する。
【０１３８】
図１３は、ウェハ厚（つまり窒化物半導体チップ６の厚さｔｃ）に対するバックグラインドの加工歩留の依存性を示す図である。
【０１３９】
窒化物半導体チップ６を作製するためには、ウェハ上に窒化物半導体パワーデバイスを形成したあと、熱抵抗を低減するためにウェハ裏面をバックグラインドすることによりウェハを薄くする。最終的な窒化物半導体チップ６の厚さとなるウェハ厚を変えて、バックグラインドの加工歩留を調べたところ、図１３に示すような結果が得られた。
【０１４０】
図１３によれば、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２５０ｍｍ未満の場合、バックグラインドの加工歩留がクラックによる９０％未満と低歩留であることがわかった。
【０１４１】
したがって、窒化物半導体チップの厚みは０．２５０ｍｍ以上とすれば歩留を高くできる。
【０１４２】
窒化物半導体チップ６の厚さｔｃについて、より詳しく説明すると、半導体装置１は応力を小さくする観点からは、窒化物半導体チップ６のシリコン基板２の厚さを出来るだけ薄くすることが好ましい。
【０１４３】
しかし、窒化物半導体チップ６は例えば０．２ｍｍ程度まで薄くすると窒化物半導体チップ６がより下凸に反りとなる。このとき、引張応力が許容応力を超えるとバックグラインドでシリコン基板２が破断することがある。よって、窒化物半導体チップの厚さは、０．２５ｍｍ以上が望ましい。
【０１４４】
また、放熱の観点からは、窒化物半導体チップ６のシリコン基板２の熱伝導率はＣｕ基板であるダイパッド１０の熱伝導率より小さいので、シリコン基板２を出来るだけ薄くすることが好ましい。
【０１４５】
しかし、窒化物半導体チップ６のシリコン基板２を例えば０．３５ｍｍ以上に厚くすると窒化物半導体（ＩｎＧａＡｌＮ層４）が応力に弱くなるだけでなく、熱抵抗の影響を受けて温度が高くなる。よって、窒化物半導体チップ６の厚さは０．３５ｍｍ以下が望ましい。
【０１４６】
続いて、接着剤８として用いられるはんだの融点について説明する。接着剤８の融点は、半導体装置１をプリント基板に実装するための２次実装用接着剤の融点よりも高く、例えば、２６０℃以上、３３０℃以下である。
【０１４７】
図１４は、Ｐｂ重量比に対するＰｂ系はんだの融点の依存性を示す図である。図１４によれば、窒化物半導体チップ６は、例えばＰｂ系からなるはんだ材料を接着剤８として接着される。窒化物半導体チップ６とＣｕ基板からなるダイパッド１０を接着するはんだは、半導体装置１の２次実装を考慮して融点が２６０℃以上のＰｂ含有材料、例えば約３１４℃の鉛錫はんだ（９５Ｐｂ５Ｓｎ）から構成されている。窒化物半導体チップ６は、厚さ０．２５ｍｍ以上のシリコン基板２上に、ＩｎＧａＡｌＮ層４を有する窒化物半導体の構成である。はんだによってＣｕ基板からなるダイパッド１０に接合する際は鉛系はんだが適している。
【０１４８】
鉛系はんだの融点の低さ、良好な濡れ性（流動性、なじみ）、接合強度が金系はんだ等、他の接着剤よりも優れている。
【０１４９】
また、鉛系はんだの最大融点は３２７℃である。
【０１５０】
窒化物半導体チップ６とＣｕ基板からなるダイパッド１０は、はんだ、例えば鉛錫はんだ（９５Ｐｂ５Ｓｎ）の融点以上の実装温度、例えば３６０℃〜３７０℃に曝される。
【０１５１】
その後にはんだ融点から室温に戻した時に温度差ΔＴが発生する。
【０１５２】
窒化物半導体チップ６のシリコン基板２の熱膨張係数がＣｕ基板のダイパッド１０の熱膨張係数より小さいため、窒化物半導体チップ６のシリコン基板２の収縮量はＣｕ基板の収縮量より小さい。その結果、窒化物半導体チップ６のシリコン基板２の収縮量とＣｕ基板のダイパッド１０の収縮量の差により、窒化物半導体チップは上凸反りとなる。
【０１５３】
また、例えば金シリコン（ＡｕＳｉ）の融点約３６３℃のはんだで実装されるときの実装温度、例えば３７０℃〜３８０℃に曝される。
【０１５４】
その後にはんだ融点から室温に戻した時に温度差ΔＴが発生する。はんだ融点が高いと温度差ΔＴが大きくなり、窒化物半導体チップのシリコン基板の収縮量とＣｕ基板のダイパッドの収縮量の差がより大きくなる。
【０１５５】
窒化物半導体チップ６はより上凸反りとなる。
【０１５６】
よって、窒化物半導体の上面の引張応力が大きくなり、窒化物半導体のクラックが生じる危険がある。この観点からは、はんだ融点は出来る限り低い温度が好ましい。
【０１５７】
また、図１５は、２次実装の標準的な熱プロファイルを示す図である。図１５によれば、２次実装時の最大温度は２６０℃に到達することがわかる。したがって、半導体装置１内のＰｂ系はんだが、再溶融しない温度、例えば融点が約３１４℃の鉛錫はんだ（９５Ｐｂ５Ｓｎ）である２６０℃以上が好ましい。
【０１５８】
また、ダイボン後（つまりダイパッド１０に窒化物半導体チップ６を接合後）の樹脂封止においても、樹脂９の厚さｔｐが厚いと下に凸の反りが発生する。これによりパッケージダイシングにおいて、加工不良が発生することがある。発明者らの実験ではダイパッド厚ｔｍ＝０．４ｍｍの場合に、パッケージ厚（つまり樹脂９の厚さ）ｔｐ＝１．２ｍｍであれば、反りによる加工不良は発生しなかった。従って、ｔｍ／ｔｐ≧３３％にすることが好ましい。
【０１５９】
続いて、半導体装置１の製造方法について説明する。
【０１６０】
図１６は、実施の形態における半導体装置１の製造方法の一例を示すフローチャートである。同図において、まず、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬ（ｍｍ）およびダイパッド１０の厚さｔｍ（ｍｍ）のうちの一方の寸法を決定し（Ｓ２１）、次に、ｔｍ ≧ ａ×Ｌ２＋ｂ の式の範囲内で、長さＬおよび厚さｔｍのうちの他方の寸法を決定する（Ｓ２２）。ａ、ｂはそれぞれ零でない定数である。例えば、ａは２．００×１０−３、ｂは０．１７３でよい。
【０１６１】
さらに、決定された長さＬおよび厚さｔｍに従って窒化物半導体チップ６を製造し（Ｓ２３）、窒化物半導体チップ６とダイパッド１０との接着、ワイヤボンディング、樹脂封止等によって半導体装置１を製造する（Ｓ２４）。
【０１６２】
なお、ステップＳ２１、Ｓ２２は、半導体装置１の設計段階における設計方法の一工程としてもよい。
【０１６３】
これによれば、窒化物半導体チップ６のクラック発生を抑制することができる。
【０１６４】
以上説明してきたように本開示における半導体装置１は、第１の熱膨張係数のシリコン基板２、および、シリコン基板２の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層４（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップ６と、第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数のダイパッド１０と、窒化物半導体チップ６の裏面とダイパッド１０とを接合する接着剤８とを、有し、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬは３．１２ｍｍ以上であり、ダイパッド１０の厚さｔｍ（ｍｍ）と半導体チップ６の長辺の長さＬ（ｍｍ）とはｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３の関係を満たし、表面実装型である。
【０１６５】
これによれば、窒化物半導体チップ６のクラック発生を抑制することができる。
【０１６６】
ここで、半導体装置１は、ゲート端子１１ｇ、ソース端子１１ｓおよびドレイン端子１１ｄを含む複数の端子１１を有する矩形状パッケージであり、複数の端子１１は、半導体装置１の平面視において対向する２辺である第１の辺および第２の辺に分散配置され、第１の辺はゲート端子１１ｇを有し、複数の端子１１のうち第２の辺に配置された全端子はダイパッド１０と離間していてもよい。
【０１６７】
ここで、半導体装置１は、ゲート端子１１ｇ、ソース端子１１ｓおよびドレイン端子１１ｄを含む複数の端子１１を有する矩形状パッケージであり、ソース端子１１ｓとドレイン端子１１ｄとは、矩形状パッケージの対向する２辺に互いに排他的に配置されていてもよい。
【０１６８】
これによれば、ドレイン・ソース間の耐圧の確保を容易にすることができる。
【０１６９】
ここで、ダイパッド１０の対向する２つの主面のうち窒化物半導体チップ６と接合されていない主面は、半導体装置１から露出していてもよい。
【０１７０】
これによれば、ダイパッド１０から外部への放熱を容易にすることができる。
【０１７１】
ここで、第１の辺と第２の辺は同数の端子を有していてもよい。
【０１７２】
これによれば、第１の辺と第２の辺とで、はんだ付けの条件が同じになるので２次実装において半導体装置１の傾き実装等を抑制できる。
【０１７３】
ここで、複数の端子１１は、矩形状パッケージの側面と実質的に面一であってもよい。
【０１７４】
これによれば、２次実装における半導体装置１の実装面積を最小化することができる。
【０１７５】
ここで、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃは０．２００ｍｍ以上０．３７７ｍｍ以下であり、ｔｍ、Ｌおよびｔｃはｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３＋（−８９０×ｔｃ２＋６７０×ｔｃ−９８．４）／５９３の関係を満たしてもよい。
【０１７６】
これによれば、窒化物半導体チップ６の厚さｔｃが０．２００ｍｍより大きくてもクラックの発生をより確実に抑制することができる。
【０１７７】
ここで、窒化物半導体チップ６の厚さが０．２５ｍｍ以上であってもよい。
【０１７８】
これによれば、ウェハ段階の窒化物半導体チップ６のバックグラインドの加工歩留を高くすることができる。
【０１７９】
ここで、接着剤８は、Ｐｂ含有はんだであってもよい。
【０１８０】
ここで、接着剤８の融点は、半導体装置１をプリント回路基板に実装するための２次実装用接着剤の融点よりも高くてもよい。
【０１８１】
ここで、接着剤８の融点は２６０℃以上、３３０℃以下であってもよい。
【０１８２】
これによれば、２段階目の反りを低減することができる。また、２次実装時に接着剤８が溶解しないので実装の信頼性を確保できる。
【０１８３】
また、本開示における半導体装置１の製造方法は第１の熱膨張係数のシリコン基板２、および、シリコン基板２の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層４（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップ６と、第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数のダイパッド１０と、窒化物半導体チップ６の裏面とダイパッド１０とを接合する接着剤８とを有する半導体装置１の製造方法であって、窒化物半導体チップ６の長辺の長さＬ（ｍｍ）およびダイパッド１０の厚さｔｍ（ｍｍ）のうちの一方の寸法を決定する工程と、ｔｍ ≧ ａ×Ｌ２＋ｂ（ａ、ｂはそれぞれ零でない定数）の式の範囲内で、長さＬおよび厚さｔｍのうちの他方の寸法を決定する工程とを有する。
【０１８４】
これによれば、窒化物半導体チップ６のクラック発生を抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【０１８５】
本開示は窒化物半導体チップの反りおよび応力が抑制された窒化物半導体装置を提供でき、放熱性が優れ、信頼性の高い窒化物半導体装置を提供できるので、本開示の窒化物半導体装置は有用である。
【符号の説明】
【０１８６】
１  半導体装置
２  シリコン基板
３  ボンディングワイヤ
４  ＩｎＧａＡｌＮ層
４ａ  活性層
４ｂ  バッファ層
６  窒化物半導体チップ
６ｇ  ゲートパッド
６ｄ  ドレインパッド
６ｓ  ソースパッド
６ｔ  トランジスタ
８  接着剤
９  樹脂
１０  ダイパッド
１１  端子
１１ｇ  ゲート端子
１１ｄ  ドレイン端子
１１ｓ  ソース端子
１１ｓｓ  ソースセンス端子
１２ｇ、１２ｄ、１２ｓ、１２ｓｓ  電極
【図１】
2018061711.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年3月18日(2019.3.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の熱膨張係数のシリコン基板、および、前記シリコン基板の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する窒化物半導体チップと、
前記第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数を有し、Ｃｕを含むダイパッドと、
前記窒化物半導体チップの裏面と前記ダイパッドとを接合する接着剤とを、有し、
前記窒化物半導体チップの厚さは０．２ｍｍ以上であり、
前記窒化物半導体チップの長辺の長さＬは３．１２ｍｍ以上であり、
前記ダイパッドの厚さｔｍ（ｍｍ）と前記半導体チップの長辺の長さＬ（ｍｍ）とは
ｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３の関係を満たし、
表面実装型である
半導体装置。
【請求項２】
前記半導体装置は、ゲート端子、ソース端子およびドレイン端子を含む複数の端子を有する矩形状パッケージであり、
前記複数の端子は、前記半導体装置の平面視において対向する２辺である第１の辺および第２の辺に分散配置され、
前記第１の辺は前記ゲート端子を有し、
前記複数の端子のうち前記第２の辺に配置された全端子は前記ダイパッドと離間している
請求項１に記載の半導体装置。
【請求項３】
前記半導体装置は、ゲート端子、ソース端子およびドレイン端子を含む複数の端子を有する矩形状パッケージであり、
前記ソース端子と前記ドレイン端子とは、前記矩形状パッケージの対向する２辺に互いに排他的に配置される
請求項１または２に記載の半導体装置。
【請求項４】
前記ダイパッドの対向する２つの主面のうち前記窒化物半導体チップと接合されていない主面は、前記半導体装置から露出している
請求項１〜３の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項５】
前記第１の辺と前記第２の辺は同数の端子を有する
請求項２または３に記載の半導体装置。
【請求項６】
前記複数の端子は、前記矩形状パッケージの側面と実質的に面一である
請求項２〜５の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項７】
前記窒化物半導体チップの厚さｔｃは０．２００ｍｍ以上０．３７７ｍｍ以下であり、
前記ｔｍ、前記Ｌおよび前記ｔｃは
ｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３＋（−８９０×ｔｃ２＋６７０×ｔｃ−９８．４）／５９３の関係を満たす
請求項１〜６の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項８】
前記窒化物半導体チップの厚さが０．２５ｍｍ以上である
請求項１〜７の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項９】
前記接着剤は、Ｐｂ含有はんだである
請求項１〜８の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１０】
前記接着剤の融点は、前記半導体装置をプリント回路基板に実装するための２次実装用接着剤の融点よりも高い
請求項９に記載の半導体装置。
【請求項１１】
前記接着剤の融点は２６０℃以上、３３０℃以下である
請求項１〜１０の何れか１項に記載の半導体装置。
【請求項１２】
第１の熱膨張係数のシリコン基板、および、前記シリコン基板の表面に接して形成されたＩｎｘＧａｙＡｌ１−ｘ−ｙＮ層（０≦ｘ≦１、０≦ｙ≦１、０≦ｘ＋ｙ≦１）を有する、厚さ０．２ｍｍ以上の窒化物半導体チップと、前記第１の熱膨張係数よりも大きい第２の熱膨張係数を有し、Ｃｕを含むダイパッドと、前記窒化物半導体チップの裏面と前記ダイパッドとを接合する接着剤とを有する半導体装置の製造方法であって、
前記窒化物半導体チップの長辺の長さＬ（ｍｍ）（Ｌは３．１２ｍｍ以上）、および前記ダイパッドの厚さｔｍ（ｍｍ）のうちの一方の寸法を決定する工程と、
ｔｍ ≧ ２．００×１０−３×Ｌ２＋０．１７３の式の範囲内で、前記長さＬおよび前記厚さｔｍのうちの他方の寸法を決定する工程とを有する
半導体装置の製造方法。
【国際調査報告】
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2018061711.tif 000023
2018061711.tif 000024
2018061711.tif 000025